基于350M/340M頻率重耕的寬帶集群通信技術探索與研究

孫慧洋 巢余紅 舒滌非 管新俊 公安部第一研究所

一、公安無線通信業務需求變化

公安無線專網建設和發展經歷過警用模擬集群、TETRA數字集群、警用數字集群（PDT）等若干階段。上述技術在公安無線通信發展歷史進程中，均發揮了不可替代的作用。公安無線專網充分利用國家分配的專用頻率資源，以351MHz～356MHz、361MHz～366MHz頻段為核心，結合公安可使用的336MHz～344MHz頻段，積極發展無線集群專網和視頻傳輸網。到目前為止，警用數字集群（PDT）系統已經成為公安無線通信骨干網，是各級公安機關指揮調度核心通信網，340MHz視頻圖傳系統在應急處突中也發揮了重要作用。

但是隨著我國經濟高速發展，社會結構日趨多元化，對公安機關執法水平和能力也提出了更高的要求。在現階段，各級公安機關已經逐漸感到現場多源信息對指揮調度的重要性，特別是現場視頻信息回傳在指揮決策過程中所發揮的作用已經不亞于語音信息，甚至在一些場景下比語音信息還重要。筆者將現場視頻回傳定義為關鍵視頻業務，此業務現階段主要依靠現有的有線視頻網、公網圖傳、340M圖傳、衛星圖傳等手段開展應用。上述這些通信傳輸手段各有缺點，無法有效保障關鍵視頻業務應用達到與集群語音業務應用同等水平，不能夠滿足實戰要求和應用發展。

在沒有新的無線頻率資源使用的條件下，為解決以語音調度、定位、關鍵視頻、關鍵數據為主的核心業務應用需求，公安部第一研究所和華為技術有限公司合作，嘗試基于公安現有可用的350M和340M頻率資源，利用LTE技術和SUL技術，通過研究新一代寬窄帶融合集群技術，探索未來公安無線專網發展新方向。

二、基于350M和340M頻段的寬窄帶融合技術方案

（一）基本技術思路

公安無線專網工作在351MHz～356MHz/361MHz～366MHz范圍內。結合LTE技術，可以嘗試在上述頻段中的上下行各劃分出1.4MHz帶寬資源用于LTE寬帶應用，如圖1所示。在1.4MHz×2帶寬中，使用FDD-LTE技術，采用BTrunC標準，實現寬帶集群功能。

同時，在340M頻段，采用SUL技術方案，實現4M或8M帶寬的上行傳輸。

按照LTE技術體制，技術上支持350M頻段上下行分別采用1.4M/3M/5M等不同頻率資源實現寬帶集群。考慮到當前情況下350M頻段專網主要使用PDT技術，可以優先采用上下行各拿出1.4M帶寬資源用于寬帶LTE集群的方案，以減少對現網的影響。

如果采用1.4MHz×2 FDD-LTE（350M頻段）+SUL（340M頻段）技術方案，則能夠實現：

（1）在350M頻段， PDT技術和LTE技術兩者共存；

（2）PDT技術主要保證語音通話；

（3）350M頻段的1.4MHz×2 FDD-LTE主要作為寬帶系統錨點，同時支持部分語音通話和有限寬帶下行業務；

（4）340M頻段的4M或8M 采用SUL 技術主要實現數據單上行應用。

（二）系統架構和組成

與PDT等集群系統類似，LTE寬帶專網系統的基本架構如圖2所示，可分為“云、管、端”三大部分。

（1）云：主要指集群系統調度平臺以及各類應用平臺、數據平臺；

（2）管：主要包括核心網和基站兩部分；

（3）端：各類無線終端，包括手持式終端、車載式終端、數據終端。

在350M頻段，LTE系統和PDT系統共存融合，可以在以下幾個層面開展：

（1）業務平臺：通過綜合業務調度平臺實現語音、定位、短消息等業務的寬窄帶融合。

（2）核心網：寬帶集群系統的核心網由演進的移動管理單元（eMME）、演進的核心網網關（eXGW）、演進的歸屬用戶服務器（eHSS）、集群控制功能模塊（TCM）和集群媒體功能模塊（TMM）組成，具備支持與其他集群系統（1.4G政務網）、PDT系統等實現統一核心網的能力。

（3）基站：寬帶集群專網基站（T-eBN）采用BBU+RRU架構。BBU（基帶處理單元）和RRU（射頻拉遠單元）通過光纖連接。華為針對公安現有頻段研制了350M、340M一體化基站。在一套基站設備中同時支持LTE技術、SUL技術和PDT技術，同時支持350M、340M兩個頻段，實現在基站側的寬窄帶融合應用。同時，BBU還可以接入1.4G頻段的RRU。寬帶專網基站采用SDR平臺，即軟件定義無線電（Software Defined Radio）平臺，通過軟件來實現無線通信中的功能模塊（如濾波、信號放大、調制解調等），擺脫了硬件的限制，功能的增加和修改通過軟件升級完成，開發、調試和維護的成本都大大降低。

（4）終端：根據承載業務目標不同，寬帶專網終端基本可以分為手持臺、車載臺、CPE、數據終端等。針對350M、340M頻段，華為公司研制了專業手持臺，同時支持350M/340M/1430M/1447M等專網頻段，以及公網運營商全頻段，具備寬帶專網集群功能和各類寬帶移動業務。由于在終端側寬窄帶業務的具體使用方式還有待細化，具體的應用方式影響寬窄帶多模終端設計開發，所以寬窄帶多模終端的研制還需要進一步探索。

三、業務容量分析

（一）語音容量分析

對于LTE寬帶系統考慮采用國產NVOC聲碼器，便于與PDT系統實現互通和端到端加密。為了保證邊緣用戶的性能，達到連續覆蓋，MCS（Modulation Coding Set）需要設置為合適的范圍。根據仿真與實測結果，為了保證LTE集群的連續覆蓋，MCS取值為3（調制方式QPSK，碼率0.4左右）。考慮上述的MCS設置，LTE語音采用半靜態配置，半靜態周期為20ms，則NVOC語音每20ms需要占用3個RB（頻率上連續12個子載波，時域上1個slot，為1個RB，1個子載波帶寬為15KHz，1個RB帶寬為180KHz）。考慮系統下行業務信道同時需要承載同步信道、PBCH、SIB、尋呼信道等公共信令及為動態調度預留，將20ms中的12個子幀用于語音承載，則可以分析出在LTE系統占用不同頻率資源條件下，寬帶系統的單小區或三扇區基站在考慮組網條件下的語音承載能力，見表1。從下表中分析可見，寬帶系統隨著其所用頻率資源的提升，其單基站或單小區所能提供的語音業務能力較窄帶系統有較大提升。

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考慮到寬帶占用350M頻段上下行1.4MHz×2、3MHz×2帶寬時，寬窄帶共存情況下，寬窄帶共存單基站語音業務容量如表2所示。此時，PDT系統頻率分配按無三階互調分配，符合相關文件要求。PDT單基站最大載波數位16載波，一般實際可用語音信道數為30個。從表2中可以分析出，雖然寬帶占用了部分頻率資源，造成了PDT系統語音信道數減少（平均可能減少2到3個語音信道），但由于寬帶系統的補充，實際上寬窄帶共存基站的語音業務容量大于窄帶系統。

（二）視頻業務容量分析

在分析系統視頻業務容量前，首先對其吞吐量進行評估，需要峰值吞吐量與平均吞吐量。峰值吞吐量考慮在理想信道（最佳）條件下可達到的容量水平，分析LTE系統采用三扇區定向站組網時的業務承載能力，平均吞吐量（即規劃容量）基于系統仿真得出。分析350M頻段寬帶系統，組網條件下吞吐量時，參見表3。

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如果在340M頻段，系統支持SUL技術，那么上行吞吐量會有明顯的提升，具體估算見表4。

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在上述分析的基礎上，進一步分析寬帶系統視頻業務容量。以1Mbps帶寬視頻為例，考慮視頻回傳終端在覆蓋區內均勻分布，寬帶集群通信解決方案可以支持視頻容量見表5。

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（三）定位業務容量

寬帶集群定位（GIS）業務忙時每用戶業務量僅占不到0.2kbps，單基站GIS業務的并發能力可達每秒1萬次至10萬次GIS定位信息上報。GIS定位能力不受限于空口資源，受限于單基站的GIS上報處理能力。當前，350M寬窄帶單基站每秒至少可處理6千次GIS上報，每分鐘處理36萬次GIS上報。相比于常見的PDT單基站一個專用信道的GIS上報能力為單信道1000次，LTE系統的GIS業務能力有大幅提升。

四、覆蓋能力分析

（一）傳播模型

以Okumura-Hata（奧村-哈特）模型為基礎，采用PDT網絡建設時所得的實際路測數據、結合不同的典型網絡覆蓋場景，校正后得到350M/340M寬帶專網傳播模型。

1. Okumura-Hata（奧村-哈特）傳播模型

說明：

（ 1）PL為城市市區的基本傳播損耗中值；

（ 2）d的 單位為km，f的單位為MHz；

（ 3）hb、hm——基站、移動臺天線有效高度，單位為米；

（4）移動臺天線高度修正因子：

2. 三種典型網絡覆蓋環境下的傳播模型

通過總結PDT網絡規劃工作所獲得的數據以及PDT現網基站建設數據，分別列出三種典型網絡覆蓋環境及關鍵參數：

（1）密集城區（大型城市，PDT基站覆蓋半徑大多數為2.5km）基站下行覆蓋邊緣信號強度：-85dBm；天線高度：100米；

（2）一般城區（大型城市，PDT基站覆蓋半徑大多數為4.2 km）基站下行覆蓋邊緣信號強度：-90dBm；天線高度：80米；

（3）郊區（PDT基站覆蓋半徑大多數為6.8 km）基站下行覆蓋邊緣信號強度：-95dBm；天線高度：50米；

（二）覆蓋半徑預測

鏈路預算參數是系統覆蓋半徑預測的主要依據，選取寬帶集群常用參數，小區邊緣速率為1Mbps，具體見表6。

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LTE寬帶專網使用350M/340M頻率時，通過鏈路預算仿真后，在不同傳播環境下，LTE寬帶專網基站覆蓋半徑和覆蓋面積與PDT基站相比見表7。

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在上述條件下，覆蓋同樣面積，350M LTE基站數量大約為PDT基站數量的2倍。

同時，借助覆蓋仿真，將350M寬帶技術與其他頻段寬帶專網進行覆蓋比較，見表8。

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三種頻率的覆蓋能力，覆蓋同樣面積，350M/700M/ 1.4GHz的基站數量比例大約為1:2:6。

五、共存干擾分析

（一）同一地區寬窄帶共存干擾分析

在同一地區，特別是已建設PDT系統的地區，基于PDT系統建設實際情況分析，寬帶系統（主要是基站）可能出現以下三種與PDT系統（主要是基站）共同工作的情況：

（1）PDT基站與LTE基站共站、共天饋部署；

（2）PDT基站與LTE基站共站、獨立天饋部署；

（3）PDT基站與LTE基站共存部署。

在上述的三種情況下，有針對性的分析PDT基站、LTE基站、PDT終端和LTE終端四類設備之間存在的八種干擾，如表9所示。

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利用華為設備在上述場景下進行干擾分析，初步得到如表10所示結論。

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進一步分析結果，LTE設備與PDT設備間基本無干擾，或相互間產生的干擾不大于PDT設備間產生的干擾，基本不影響PDT和LTE設備使用。在研究的過程中，也發現PDT大功率車臺與寬帶設備共同使用時，雖然與PDT設備之間使用一樣會產生干擾，但還需要進一步在多種實際使用環境下進行定量的測試，明確避免出現近場干擾時兩種設備間的最小距離。

（二）相鄰區域間寬窄帶干擾

在某種情況下，一個區域部署了PDT+LTE系統，而另外一個區域只部署了PDT系統，如果兩個區域的PDT和LTE使用相同頻率，就會出現同頻干擾問題。圖3對兩個系統隔離進行了示意。

經過確定性分析，保護帶內不能夠使用350M頻段的LTE系統，可使用PDT系統或其他頻段的寬帶系統。在市區環境下保護帶直徑約12km，郊區環境下保護帶直徑約20km。

六、需深入研究的問題

隨著技術的發展，在低頻段，特別是350M和340M，利用LTE技術發展寬帶集群技術和寬窄帶共存技術取得了上述成果，但還是需要針對一些問題進行深入研究，主要是：

（1）研究350M/340M LTE寬帶技術的引入對周邊頻率的干擾問題，特別是對PDT、衛星通信、民航下滑信標頻率的干擾；

（2）研究及驗證350M/340M頻段下，LTE基站組網時基站間同頻干擾、越區重疊覆蓋、組網業務能力等問題，進一步優化控制上述問題的具體技術方法；

（3）結合未來公安無線專網核心業務需求，在現有寬帶集群技術和設備的基礎上，更深入的研究公安無線寬帶集群業務模型、功能要求、網絡互聯、設備兼容性、安全加密等問題。

七、結語

警用無線通信技術的發展與公安業務需求的變化緊密相連。在PDT技術成熟應用之后，需要著眼于未來，開展下一代警用無線集群通信技術的研究工作。在頻率資源緊缺的情況下，基于公安現有頻率資源，研究寬帶集群技術以及寬窄帶共存技術，為后續的技術研究工作提供了很好的思路。